基于人工智能的電氣自動(dòng)化控制的研究

丁 婕

（南京技師學(xué)院，江蘇 南京 210023）

引言

電氣自動(dòng)化控制在人工智能技術(shù)出現(xiàn)之后，獲得了前所未有的發(fā)展契機(jī)，以往許多停留在紙面上的構(gòu)想逐漸轉(zhuǎn)化到了現(xiàn)實(shí)，為電氣自動(dòng)化控制的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。基于此，本文以A變配電站為例，分析在電氣自動(dòng)化控制的過程中，人工智能技術(shù)的運(yùn)用。

1 人工智能技術(shù)及電氣自動(dòng)化概述

在現(xiàn)階段的計(jì)算學(xué)科中，最熱門的學(xué)科分支和研究領(lǐng)域莫過于人工智能，人工智能的核心在于利用半導(dǎo)體邏輯預(yù)算器件的運(yùn)算能力和數(shù)學(xué)算法，模擬人腦的思維方式，讓計(jì)算機(jī)自身的邏輯運(yùn)行更加靈活，當(dāng)靈活度逐漸攀升之后，人類可以利用計(jì)算機(jī)完成更多的工作，并且在極其強(qiáng)大的運(yùn)算能力下，原本需要大量人力的工作變得極為簡單，效率提升極為顯著，就目前的人工智能學(xué)科來說，該學(xué)科是一門復(fù)合型的學(xué)科，在該研究領(lǐng)域中涉及到方方面面的內(nèi)容，包括生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和物理學(xué)等，但是目前的主要研究方向還是半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)體系，目前實(shí)現(xiàn)的人工智能也只限于一定程度之內(nèi)[1]。電氣自動(dòng)化的全稱是電氣工程及其自動(dòng)化，該項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)是控制理論和電網(wǎng)理論，該項(xiàng)技術(shù)的主要手段包括電力電子和計(jì)算機(jī)兩種主要的技術(shù)，在電氣自動(dòng)化中，內(nèi)容較為豐富，包括系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)。

2 人工智能技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

將人工智能技術(shù)引入電氣自動(dòng)化控制中，便利性將顯而易見，主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四點(diǎn)：

1）利用人工智能技術(shù)收集數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算將大范圍提升電氣自動(dòng)化的現(xiàn)實(shí)管控效果。

2）電氣系統(tǒng)中的主要設(shè)備模擬數(shù)據(jù)值可以通過人工智能技術(shù)同步進(jìn)行監(jiān)控。

3）利用人工智能技術(shù)操控監(jiān)控系統(tǒng)效率明顯較高，在自動(dòng)化管控電氣設(shè)備的過程中，工作人員只需要操控鍵盤和鼠標(biāo)即可。

4）人工智能技術(shù)可以自動(dòng)將出現(xiàn)的差錯(cuò)記錄下來，通過這項(xiàng)技術(shù)，可以監(jiān)測電氣自動(dòng)化技術(shù)在每一個(gè)環(huán)節(jié)中存在的失誤，并以此為依據(jù)，不斷調(diào)整設(shè)備，讓設(shè)備達(dá)到最好的狀態(tài)，進(jìn)而提升電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中的效率和安全性[2]。

3 A變配電站中人工智能技術(shù)在智能斷路器中的應(yīng)用

3.1 A變配電站基本情況

A變配電站的用電負(fù)荷始終維持在高位，在近五年的時(shí)間中，有四年在每一年都發(fā)生了兩次斷路事故，其中一次斷路事故甚至引發(fā)了火災(zāi)，當(dāng)A變配電站的工作人員將火災(zāi)事故和平時(shí)的斷路事故情況上報(bào)之后，當(dāng)?shù)毓芾聿块T就這一情況展開商討，并決定智能化改造A變配電站的電力系統(tǒng)。

3.2 方案設(shè)計(jì)

在分析設(shè)計(jì)方案的過程中，將智能斷路器作為主要的對(duì)象，智能斷路器顧名思義，脫胎于傳統(tǒng)的斷路器，并且融入了人工智能技術(shù)，這種新產(chǎn)品解決了傳統(tǒng)斷路器的弊端，如果斷路器出現(xiàn)故障，可以在第一時(shí)間判斷問題所在，自動(dòng)采取必要的措施將損失降至最低，該種產(chǎn)品在應(yīng)用之后，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性顯著提升。

在A變配電站中，在設(shè)計(jì)智能斷路器時(shí)，使用的自由脫扣器機(jī)構(gòu)為五連桿，在正常的工作狀態(tài)下，這種機(jī)構(gòu)將長期處于預(yù)貯能的位置，在釋放按鈕和合閘電磁鐵的作用下，將閉合操作在一瞬間完成[3]?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)電流一直在2 000 A以下，因此額定工作電流在4 800 A的斷路器可以完成斷電作業(yè)，自身也不不會(huì)被損壞，使得火災(zāi)發(fā)生的概率大大下降。

3.2 核心技術(shù)

在設(shè)計(jì)智能斷路器的過程中，會(huì)使用到傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及通信技術(shù)等技術(shù)，此外，部分智能斷路器中還會(huì)使用到數(shù)字顯示技術(shù)。在智能斷路器中，所有存在的危險(xiǎn)模型將由單片機(jī)負(fù)責(zé)記憶，這里提到的危險(xiǎn)模型就是誘發(fā)火災(zāi)的臨界狀態(tài)，在模型中，存在線路電流和電壓穩(wěn)定性等，在研究過程中，將A變配電站歷年來出現(xiàn)的火災(zāi)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，了解在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電流和電壓的具體情況，共2 498例，使用單片機(jī)分析這些數(shù)據(jù)。將智能斷路器的默認(rèn)危險(xiǎn)電流的臨界值確定為1 680.4 A，將危險(xiǎn)電壓波動(dòng)幅度確定為7.1%，設(shè)置兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)K點(diǎn)，將樣本投入到機(jī)器中完成訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練完成之后，連接所有的設(shè)備，完成線路的監(jiān)測工作。

3.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀況

技術(shù)人員在完成機(jī)器的改造之后，進(jìn)行了相應(yīng)的模擬工作，將計(jì)算機(jī)參數(shù)的方式進(jìn)行調(diào)整，并完成了50次實(shí)驗(yàn)，每10次為一組實(shí)驗(yàn)，每一組實(shí)驗(yàn)都有所不同，分別是安全實(shí)驗(yàn)、臨界值的實(shí)驗(yàn)以及危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，具體情況如表1中的內(nèi)容所示。

表1 A變配電站實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)表格中數(shù)據(jù)的了解可知，該智能斷路器有著良好的性能，因此，在使用之后，為了進(jìn)一步明確其性能情況，研究人員聯(lián)系監(jiān)測了三個(gè)月，總共發(fā)現(xiàn)智能斷路器報(bào)警4次，斷電保護(hù)1次，A變配電站的安全得到了保證。

4 A變配電站中人工智能技術(shù)在變壓器監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

在2020年8月，A變配電站又一次改造了自身的電力系統(tǒng)，在監(jiān)測變配電站的過程中，使用了人工智能技術(shù)，改造工作主要圍繞以下兩方面：一是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器；二是長期收集數(shù)據(jù)并積累下來。在實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中，主要針對(duì)變壓器的功能情況、用電的安全情況以及供電是否穩(wěn)定。而長期收集的數(shù)據(jù)包括線損情況、目標(biāo)地區(qū)的用電量變化情況等。在本次改造工程中，A變配電站共使用了42 d，總投資52萬余元。

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測與模擬實(shí)驗(yàn)

為了保證智能監(jiān)測的有效性，需要對(duì)變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在監(jiān)測的過程中將數(shù)據(jù)收集整理出來，作為后續(xù)機(jī)器訓(xùn)練智能設(shè)備的重要工具，進(jìn)而建立起與之相關(guān)的各類模型。在實(shí)際的監(jiān)測工作中，在傳感器的利用下，將信息數(shù)據(jù)以模型進(jìn)行匹配，明確工作的具體情況，進(jìn)而提升監(jiān)測的有效性。

A變配電站在常規(guī)的情況下，變壓器的工作溫度維持在50~70℃之間，但是變壓器一旦出現(xiàn)故障，比如變壓器的內(nèi)芯出現(xiàn)銹蝕，就會(huì)導(dǎo)致變壓器的電阻增大，在運(yùn)行的過程中，溫度也會(huì)相應(yīng)提升，給安全事故的發(fā)生埋下隱患。在本次實(shí)驗(yàn)中，將變壓器在30 d內(nèi)的工作數(shù)據(jù)收集起來，了解在不同的負(fù)載情況下，變壓器的溫度情況，以負(fù)載的具體情況建立起相應(yīng)的模型，其中負(fù)載超過90%即為過負(fù)載，在20%以下為低負(fù)載，在40%~80%之間為中等負(fù)載。進(jìn)而將不同故障情況下，變壓器的溫度數(shù)值記錄下來，比如過電流、過電壓和內(nèi)芯熔斷等。將實(shí)驗(yàn)中所有的數(shù)據(jù)集中在單片機(jī)中，利用隨機(jī)森林法進(jìn)行機(jī)器訓(xùn)練。隨機(jī)森林法有助于提升機(jī)器訓(xùn)練的效率，使用該訓(xùn)練方法，當(dāng)樣本進(jìn)入到定義空間內(nèi)，可以隨即完成識(shí)別工作，對(duì)應(yīng)的故障類型也將被精準(zhǔn)確定[4]。

為了明確訓(xùn)練的效果，在10萬個(gè)基礎(chǔ)樣本之上，投入A變配電站的1 043個(gè)樣本，得出結(jié)果可知，在1.8 s內(nèi)，所有的樣本已經(jīng)完成分類工作，決策樹提供的樣本定義已經(jīng)達(dá)到100%，由此可知，機(jī)器訓(xùn)練的效果較好。為了確保在完成機(jī)器訓(xùn)練之后，變壓器的辨識(shí)能力，在隨機(jī)森林定義空間內(nèi)代入變壓器在工作過程中的常規(guī)值。如果決策樹對(duì)樣本的定義在常規(guī)值允許的范圍之內(nèi)，將不會(huì)出現(xiàn)警報(bào)。

在智能系統(tǒng)中，存在多種類型的構(gòu)件，每一種構(gòu)件有不同的重要作用，包括傳感器和通信結(jié)構(gòu)等，在主變壓器附近，智能系統(tǒng)被外置其上，可以在無間斷完成實(shí)時(shí)監(jiān)測工作。在本次實(shí)驗(yàn)中，利用智能系統(tǒng)監(jiān)測了30 d整，單就結(jié)果來說，變壓器處于正常的工作狀態(tài)下。此外，在實(shí)驗(yàn)中，還利用計(jì)算機(jī)完成相關(guān)參數(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為30次，實(shí)驗(yàn)的目的是了解處于異常狀態(tài)下的智能系統(tǒng)能否識(shí)別出變壓器存在的問題，能否正常發(fā)布警報(bào)，具體的實(shí)驗(yàn)情況如表2所示。

表2 A變配電站變壓器模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

人工智能技術(shù)不僅是一種高新科技，也是一種現(xiàn)代控制理論，是電氣自動(dòng)化控制發(fā)展到當(dāng)下的必要技術(shù)支撐，在電氣自動(dòng)化控制中，人工智能技術(shù)的引入顯著提升了安全性和效率，使得電氣自動(dòng)化控制作業(yè)更加規(guī)范。在電氣自動(dòng)化控制過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)，將為未來的發(fā)展奠定重要的基礎(chǔ)。